KR20180059929A - 연료 인젝터용 밸브 피스 제조 방법 및 연료 인젝터 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 밸브 피스(108) 상에 밸브 시트(115)를 형성하는 영역을 갖는, 연료 인젝터(100)용 밸브 피스(108)의 제조 방법에 관한 것으로, 상기 밸브 피스(108)는 바람직하게 경화강을 모재(119)로 하여 형성되며, 그 표면은 밸브 시트(115)를 형성하는 영역의 범위 내에서, 모재(119)의 물질보다 더 큰 경도를 갖는 탄소층(130)으로 코팅된다. 본 발명에 따라, 모재(119)와 탄소층(130) 사이에 지지층(120)이 형성되며, 이 지지층(120)의 경도는 모재(119)의 경도와 적어도 동일하다.

Description

연료 인젝터용 밸브 피스 제조 방법 및 연료 인젝터

본 발명은 청구항 제1항의 전제부에 따른 연료 인젝터용 밸브 피스(valve piece) 제조 방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 본 발명에 따른 밸브 피스를 포함하는 연료 인젝터에 관한 것이다.

상기 유형의, 예를 들어 본 출원인의 DE 10 2013 225 387 A1호로부터 공지된, 연료 인젝터의 구성 부품으로서 이용되는 밸브 피스는, 예컨대 강으로 이루어진 경화된 밸브 볼 형태의 폐쇄 부재와 상호작용하는 밸브 시트를 구비한다. 연료 인젝터의 저압 영역으로의 연료의 방출은 밸브 시트를 통해 노즐 니들의 개폐가 가능하도록 제어될 수 있다. 마모의 이유로, 밸브 부재와 상호작용하는 밸브 피스 상의 밸브 시트의 영역에 더 큰 경도를 부여하기 위해, 상기 유형의 밸브 피스의 강으로 형성된 모재(basic material)를 탄소층으로 코팅하는 것이 공지되어 있다. 이러한 탄소층은 통상 공정과 관련하여 수 마이크로미터, 일반적으로 약 2㎛의 층 두께를 갖는다. 이러한 층 두께는 입자 크기가 작은 경우에는 충분하지만, 더 큰 입자 크기에서는 한계에 부딪친다. 이는, 탄소층으로부터 밸브 피스의 모재로의 전이부에서 상대적으로 큰 입자의 발생 시 표면 장력이 증가하는 데서 기인하는데, 그 이유는 모재는 상대적으로 큰 입자로 인해 탄성 소성 변형되는 반면, 탄소층은 전반적으로 강성으로 유지되기 때문이다. 이는 탄소층의 부분 박리를 야기할 수 있으며, 이는 다시 밸브 시트에서의 너무 과도한 압력 침투 또는 누출을 야기할 수 있다.

전술한 선행 기술에 근거하여, 본 발명의 과제는, 특히 상대적으로 큰 입자의 발생 시 밸브 피스가 증대된 내마모성을 갖도록, 청구항 제1항의 전제부에 따른 연료 인젝터용 밸브 피스의 제조 방법을 개선하는 것이다. 특히, 밸브 피스로부터의 탄소층의 부분 박리가 방지되어야 한다.

본 발명에 따라, 이러한 과제는 청구항 제1항의 특징을 갖는 연료 인젝터용 밸브 피스의 제조 방법에 의해 해결된다.

본 발명은, 밸브 피스의 모재와 탄소층 사이에 배치된 지지층을 통해, 모재에서 시작하여 탄소 코팅층 방향으로 경도가 급격하게 증가하지 않도록, 밸브 피스에서의 더 일정한 경도 거동을 가능하게 한다는 사상에 기초한다. 이상적으로는, 상기 유형의 지지층이 모재에서부터 탄소 코팅층 방향으로 대략 연속적인 경도 증가를 야기한다. 그로 인해, 큰 입자들의 작용 시 밸브 피스의 지지층과 모재 사이의 전이 영역에서 모재의 영역 내에 탄소층 또는 지지층의 분리 또는 박리를 야기하는 표면 장력이 발생하지 않는다.

연료 인젝터용 밸브 피스의 본 발명에 따른 제조 방법의 바람직한 개선예들은 종속항들에 명시되어 있다.

지지층의 한 바람직한 구성에서, 지지층의 경도가 모재의 경도보다 더 크다. 이에 의해, 모재가 입자에 의한 소성 변형으로부터 매우 양호하게 효과적으로 보호된다.

특히, 추가로 지지층의 경도가 탄소층의 경도보다 더 낮을 경우, 밸브 시트를 형성하는 영역의 방향으로 증가하는 경도를 갖는 적어도 3개의 경도 영역이 형성되는 효과가 달성된다. 먼저, 가장 낮은 경도를 갖는 모재의 영역이 형성된다. 이 영역에 이어서, 모재의 물질보다는 높은 경도를 갖지만 탄소층보다는 낮은 경도를 갖는 지지층의 영역이 형성되며, 마지막으로 경도가 가장 높아서, 입자의 발생 시 밸브 시트의 변형을 방지하기에 가장 적합한 탄소층이 이어진다.

실험을 통해, 지지층의 층 두께가 100㎛와 500㎛ 사이, 바람직하게는 100㎛와 300㎛ 사이일 때 유리한 것으로 확인되었다. 예를 들어, 연결 층 없는 질화(nitriding) 시 지지층이 160㎛ 내지 190㎛ 사이의 층 두께 및 1000HV와 1200HV 사이의 경도를 갖는 경우에 긍정적인 실험 결과가 획득되었다. 이러한 지지층을 X40CrMoV5-1로 제조된 밸브 피스의 열처리된 모재에 형성하였고, 이 경우 모재는 -열처리 공정에 따라- 약 490HV의 경도를 갖는다.

X40CrMoV5-1로 제조된 전술한 모재에서 고압 가스 냉각을 이용한 진공 표면 경화(case hardening)를 통해 생성된 지지층에서도 긍정적인 실험 결과가 달성되었다. 이 경우, 지지층의 층 두께는 약 200㎛였고, 그 경도는 800HV와 900HV 사이였다.

그러나 본 발명이 모재의 이러한 진공 표면 경화 방법 또는 질화 방법으로 제한되지는 않는다. 오히려, 상기 유형의 지지층은 일반적으로 확산 방법에 의해 생성될 수 있다.

그러나 연결 층 없는 질화뿐만 아니라 고압 가스 냉각을 이용하는 진공 표면 경화도, 모재의 표면 인접 영역 내에 압축 잔류 응력이 도입됨으로써 그에 후속하여 제공되는 탄소층이 유해한 인장 응력로부터 추가로 보호되는 특별한 장점을 제공한다. 전체적으로 볼 때, 전술한 확산 방법을 통해 밸브 피스의 모재가 밸브 시트의 영역 내에서, 그 경계층 경도를 증대시킴으로써 본 발명에 따른 지지층을 형성하도록 한다. 그에 이어서, 높은 경도로 인해 표면 내로의 입자의 침입을 방지하는 지지층의 탄소 코팅이 수행된다.

본 발명은, 상술된 본 발명에 따른 방법으로 제조된 밸브 피스를 갖는 연료 인젝터를 포함한다. 이러한 유형의 연료 인젝터는 특히 그 수명에 걸쳐 상대적으로 큰 입자의 발생 시에도 밸브 시트에서의 상대적으로 적은 마모 및 적은 누출을 갖는다.

본 발명의 또 다른 장점, 특징 및 세부 사항은 바람직한 실시예에 대한 이하의 설명 및 도면을 참조한다.

도 1은 자가 점화식 내연 기관의 연료 인젝터의 종단면도이다.
도 2는 도 1에 따른 연료 인젝터에서 상이한 크기의 입자들이 발생할 경우 밸브 피스의 밸브 시트 영역의 개략도이다.

동일한 요소들 또는 동일한 기능을 갖는 요소들은 도면들에서 동일한 도면 부호를 갖는다.

도 1에 도시된 연료 인젝터(100)는 길다랗게 형성된 인젝터 하우징(101)을 가지며, 이 인젝터 하우징 내에는 종축 상에 노즐 니들(102)이 도 1에 도시되지 않은 분사 개구를 개방 또는 폐쇄하는 분사 부재로서 상하 운동 가능하게 배치되어 있다. 노즐 니들(102)의 작동은, 이미 공지되어 있을 뿐더러 본 발명에서 중요하지도 않기 때문에 기술하지 않은 방식으로 자기 액추에이터(105)를 통해 수행되며, 상기 자기 액추에이터는 노즐 니들(102)의 일 단부가 그 내부로 삽입되는 제어 챔버(106)로부터의 연료 방출을 제어한다. 제어 챔버(106)는 인젝터 하우징(101) 내의 단차식 보어(109) 내에 배치된, 실질적으로 슬리브 형태인 밸브 피스(108) 내에 형성된다. 밸브 피스(108)의 외주연이 국부적으로, 연료 공급 포트(111)를 통해 미도시된 고압원(레일)과 연결되어 있는 고압 챔버(110) 내로 진입하며, 이때 상기 고압원이 시스템 압력을 제공한다. 이를 위해, 연료 공급 포트(111) 내에 실질적으로 원형 단면을 갖는 고압 채널(112)이 배치되며, 상기 고압 채널은 고압 챔버(110) 쪽을 향하는 측에서, 마찬가지로 원형 단면을 가지며 고압 채널(112)보다 작은 단면을 갖는 연결 보어(113)를 통해 고압 챔버(110)와 연결된다.

밸브 피스(108)는 자기 엑추에이터(105) 쪽을 향하는 측에, 연료 인젝터(100)의 저압 영역의 방향으로 볼 형태의 밸브 시트(115)로 전이되는 관통 보어(114)를 포함한다. 밸브 시트(115)는 예를 들어, 경화강으로 형성된 볼 형태의 폐쇄 부재(116)와 상호작용하고, 상기 폐쇄 부재는 자기 액추에이터(105)에 의해 작동 가능하며, 제어 챔버(106)로부터 관통 보어(114)를 통해 연료 인젝터(100)의 저압 영역 내로 연료가 방출되는 것을 방지하기 위해, 도 1에 도시된 위치에서 밸브 시트(115) 상에 안착된다.

도 2에는 밸브 피스(108)의 밸브 시트(115)의 영역의 단면이 상당히 개략적으로 도시되어 있다. 밸브 피스(108)는 밸브 시트(115)로부터 먼쪽을 향하는 측에서강, 특히 X40CrMoV5-1를 소재로 하는 모재(119)로 형성된다. 밸브 시트(108)의 모재(119) 상에 본 발명에 따른 지지층(120)이 제공된다. 지지층(120)의 두께(d)는 100㎛와 500㎛ 사이, 바람직하게는 100㎛와 300㎛ 사이이다. 지지층(120)은 확산 방법에 의해 형성되며, 지지층(120)의 경도는 예를 들어, 제조 방법에 따라 800HV와 1200HV 사이이다. 이에 반해, 사전에 경화된 밸브 피스(108)의 모재의 경도는 예를 들어 약 490HV이다.

지지층(120) 상에는 다시 지지층(120)의 경도보다 큰 경도를 갖는 탄소층(130)이 제공된다. 탄소층(130)의 두께(D)는 예를 들어 약 2㎛이다.

도 2에는 그 밖에도, 입자들(1a, 1b)의 발생 시 이들 입자가 폐쇄 부재(116)의 폐쇄 시 폐쇄 부재(116)와 밸브 피스(108)의 밸브 시트(115) 사이에 끼일 경우의, 밸브 시트(115)의 영역 내에서의 상기 유형의 지지층(120) 또는 탄소층(130)의 거동이 도시된다. 입자(1a)는 비교적 작은 입자 크기를 갖는 반면, 입자(1b)는 상대적으로 큰 입자 크기를 갖는다. 특히, 입자(1a)는 국부적으로만 탄소층(130) 내로 침투하는 반면, 입자(1b)는 지지층(120)의 재료를 변형시키면서 모재(119)의 재료 내부까지 밀려들어가는 점이 확인된다. 그러나 전술한 지지층(120)에 의해, 밸브 피스(108)의 모재(119)의 재료로부터의 탄소층(130)의 박리가 방지된다. 이상적으로는, 밸브 피스(108)의 재료의 경도가 모재(119)의 재료에서 시작하여 탄소층(130)의 방향으로 꾸준히 또는 특히 급변하지 않는 방식으로 증대된다.

전술한 연료 인젝터(100) 또는 밸브 피스(108)는 본 발명의 사상을 벗어나지 않으면서 다양하게 변경되거나 변형될 수 있다. 이는, 밸브 피스(108)의 모재와 탄소층(130) 사이에, 입자(1a, 1b)의 작용 시 탄소층(130)의 박리를 저지하는 추가의 지지층(120)을 형성하는 것이다.

Claims (10)

1. 밸브 피스(108) 상에 밸브 시트(115)를 형성하는 영역을 갖는, 연료 인젝터(100)용 밸브 피스(108) 제조 방법으로서, 밸브 피스(108)는 바람직하게 경화강 또는 열처리강을 모재(119)로 하여 형성되고, 그 표면은 밸브 시트(115)를 형성하는 영역의 범위 내에서 모재(119)의 물질보다 더 큰 경도를 갖는 탄소층(130)으로 코팅되는, 연료 인젝터용 밸브 피스의 제조 방법에 있어서,
   모재(119)와 탄소층(130) 사이에 지지층(120)이 형성되며, 지지층(120)의 경도는 모재(119)의 경도와 적어도 동일한 것을 특징으로 하는, 연료 인젝터용 밸브 피스 제조 방법.
2. 제1항에 있어서, 지지층(120)의 경도는 모재(119)의 경도보다 더 큰 것을 특징으로 하는, 연료 인젝터용 밸브 피스 제조 방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 지지층(120)의 경도는 탄소층(130)의 경도보다 더 작은 것을 특징으로 하는, 연료 인젝터용 밸브 피스 제조 방법.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 지지층(120)의 층 두께(d)는 100㎛와 500㎛ 사이, 바람직하게는 100㎛와 300㎛ 사이인 것을 특징으로 하는, 연료 인젝터용 밸브 피스 제조 방법.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 지지층(120)의 형성은 확산 공정을 통해 수행되는 것을 특징으로 하는, 연료 인젝터용 밸브 피스 제조 방법.
6. 제5항에 있어서, 지지층(120)의 형성은 후속하는 고압 가스 냉각을 이용한 진공 표면 경화를 통해, 또는 밸브 피스(108)의 모재(119)의 질화(nitriding)를 통해 수행되는 것을 특징으로 하는, 연료 인젝터용 밸브 피스 제조 방법.
7. 제5항 또는 제6항에 있어서, 지지층(120)의 형성 시 모재(119)의 표면 인접 영역 내에 압축 잔류 응력이 형성되는 것을 특징으로 하는, 연료 인젝터용 밸브 피스 제조 방법.
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 탄소층(130)의 두께(D)는 1㎛와 3㎛ 사이, 바람직하게는 약 2㎛인 것을 특징으로 하는, 연료 인젝터용 밸브 피스 제조 방법.
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 밸브 피스(108)용 모재로서 X40CrMoV5-1 강이 사용되는 것을 특징으로 하는, 연료 인젝터용 밸브 피스 제조 방법.
10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따라 제조된 밸브 피스(108)를 포함하는 연료 인젝터(100).

Images